吉木萨尔凹陷芦草沟组致密储集层岩石力学特征

高阳，王英伟，王玉多，谢天寿，刘刚，王黎

（1.中国石油新疆油田分公司勘探开发研究院，新疆克拉玛依834000；2.克拉玛依市地质工程有限责任公司，新疆克拉玛依834000；3.北京阳光杰科科技股份有限公司，北京100192）



吉木萨尔凹陷芦草沟组致密储集层岩石力学特征

高阳1，王英伟1，王玉多2，谢天寿1，刘刚3，王黎1

（1.中国石油新疆油田分公司勘探开发研究院，新疆克拉玛依834000；2.克拉玛依市地质工程有限责任公司，新疆克拉玛依834000；
3.北京阳光杰科科技股份有限公司，北京100192）

摘要：吉木萨尔凹陷致密油藏储量巨大，但储集层孔渗性差，其单井产量低、生产周期长、开发成本高，系统地研究储集层岩石物理力学和地应力特征，对致密油藏的勘探开发有着重要意义。为了认识致密油藏储集层的岩石力学特征，建立储集层岩石力学参数测井评价模型，优化工程技术措施，选取吉A井和吉B井全直径岩心，在围压分别为0.689 5 MPa，11.032 0 MPa，22.064 0 MPa下进行声波测试和三轴抗压测试。结果表明，纵波和横波速度、动静态杨氏模量相互关系显著，三轴抗压强度随围压增大近似线性增大，围压对样品的破坏形态具有显著影响。

关键词：准噶尔盆地；吉木萨尔凹陷；致密油藏；岩石力学；实验研究；各向异性

吉木萨尔凹陷位于准噶尔盆地东部隆起的西南部，北部与沙奇凸起，南抵阜康断裂带，西接北三台凸起，向东逐渐过渡为古西凸起，面积1 278 km2（图1）。致密油藏储集层为中二叠统芦草沟组，在凹陷内均有分布。芦草沟组发育上、下2个甜点体，上甜点体平均厚度24.8 m，下甜点体平均厚度34.8 m，井控资源量10.18×108t，勘探开发潜力巨大[1-2]。

图1　吉木萨尔凹陷构造位置

芦草沟组上、下甜点体物性差，平均孔隙度10%，平均渗透率0.01 mD[3]，属于低孔、特低渗致密储集层，单井产量低，开发难度大。为提高单井产量，大规模推广应用了水平井分级压裂改造技术[4-5]。但由于对致密油藏储集层的岩石力学特性认识不清，制约了对地应力、储集层脆性、压裂缝网扩展机理等的研究，影响了工程技术措施的针对性和有效性。例如，前期的水平井钻井过程中，由于计算的坍塌压力不准，使用的钻井液密度不合理，导致某井水平段全井段井径扩大；吉172_H井水平段分级压裂改造后获高产油流，而开发先导试验区的若干水平井分级压裂改造后产量提高不明显，储集层改造效果参差不齐。因此，对芦草沟组甜点体进行岩石力学实验研究，查明岩石力学特性，对于致密油藏的高效开发具有重要意义。

1　岩石的力学性质

岩石的力学性质包括岩石的变形特性和强度，可用力学参数来描述。岩石力学参数包括弹性参数和强度参数。弹性参数包括杨氏模量（E）、体积模量（K）、剪切模量（G）、泊松比（υ）。弹性参数又分为动态弹性参数和静态弹性参数。动态弹性参数一般通过测井资料或地震数据来获取，静态弹性参数只能通过室内岩心实验获得，石油工程应用中宜采用静态弹性参数[6-7]。国内外学者针对不同岩性岩石的动、静态弹性参数进行了许多研究，结果表明，动、静态杨氏模量之间具有较好的相关性，动、静态泊松比之间的相关关系不明显[8-11]。纵波和横波速度与岩石的弹性性质有直接关系，所以也把它们看成岩石的弹性参数[12]。由于在多数情况下缺少横波速度信息，做好横波速度预测对于准确求取岩石弹性参数尤为重要。岩石强度参数包括抗压强度（单轴抗压强度和三轴抗压强度）、抗拉强度、抗剪强度（用内聚力和内摩擦角描述），其中抗剪强度和抗压强度是决定岩石稳定性的主要因素。

根据储集层改造的需要，重点围绕杨氏模量、泊松比、抗压强度、抗拉强度以及纵波和横波速度进行实验研究。

2　实验过程及结果

实验由美国梅塔岩石力学实验室（MetaRock Lab⁃oratories）完成，梅塔岩石力学实验室是美国页岩气、致密油藏开发企业进行岩石力学评价的首选实验室，其研究成果在美国非常规油气领域应用效果良好。梅塔岩石力学实验室有一整套完善的措施保证实验的成功与精准：测试样品的加工精度满足美国材料实验协会（American Society of Testing Materials）测试标准；在取样之前对全直径岩心进行CT扫描，保证取样质量；压力加载平稳，围压加载速率小于3.447 5× 103MPa/s，轴向压力加载速率小于0.152 4 μm/s.其高/常温三轴测试系统（High/Ambient Temperature Tri⁃axialUint）能在同一次实验中对力学（轴向应变、径向应变、位移、轴压、孔压、围压）和声学（纵波和横波速度）同时测试，并对实验结果进行实时采集与分析。

选取吉A井上甜点体泥岩盖层1个深度点全直径岩心1块，吉B井上甜点体3 020—3 065 m范围内6个深度点全直径岩心10块。在不同深度点的全直径岩心上垂直取样（取样方向垂直于地层）2～3块，水平取样（取样方向平行于地层）1块，共钻取样品25块，进行“声波实验+三轴抗压实验”。抗压测试在围压分别为0.689 5 MPa，11.032 0 MPa，22.064 0 MPa下进行。对同一深度点2组或3组样品的围压与抗压强度数据进行莫尔-库伦（Mohr-Coulomb）分析[6，13]，即可得到岩石的内摩擦角和内聚力（表1）。

3　实验结果分析

3.1岩性与力学参数的关系

吉木萨尔凹陷芦草沟组岩性复杂，不同岩性频繁互层。为便于分析，将实验岩心划分为偏砂岩类和偏泥岩类2种。由表1可知，上甜点体内偏砂岩类和偏泥岩类岩石的杨氏模量、泊松比、抗压强度、纵波和横波速度等主要力学参数差异不明显，没有明确的大小关系。

3.2纵波和横波速度的关系

纵波和横波速度是计算杨氏模量、泊松比等弹性参数的关键数据。实测纵波和横波速度具有良好的相关关系（图2）。

3.3动、静态弹性参数的关系

利用动、静态弹性参数之间的相关关系，可将从测井等手段得到的动态弹性参数转化为静态弹性参数，既可避免高昂的实验费用，还能得到连续的静态弹性参数值。对实验结果进行分析发现，动、静态杨氏模量具有良好的相关性（图3）。

吉木萨尔凹陷芦草沟组致密油藏储集层岩石动、静态泊松比相关性不明显。在石油工程应用中可近似地认为动、静态泊松比相等。

3.4围压对力学参数的影响

选择垂直样品的静态实验结果分析围压（σ3）对主要力学参数的影响。

（1）围压对抗压强度的影响由图4a可以看出，岩石的抗压强度与围压呈正相关关系。根据莫尔-库伦准则，岩石在围压条件下压缩破坏时，围压（σ3）与最大轴向应力（σ1）之间满足：

式中K=ctg（45°-θ/2）；

θ——岩石的内摩擦角，（°）；

C——岩石的内聚力，MPa.

当岩石临界破坏时，σ1即为岩石的三轴抗压强度。由于内摩擦角和内聚力为岩石的固有属性，与围压无关，三轴压缩时岩石的抗压强度（三轴抗压强度）将会随围压增大而线性增大。

（2）围压对杨氏模量的影响由图4b可以看出，杨氏模量随围压增加而增大。由于围压对应变具有一定的限制作用，随着围压的增大，相同轴向应力作用下轴向应变减小（图5），杨氏模量随围压增大而增大。

（3）围压对泊松比的影响由图4c可看出，随围压增大，有1个深度点样品的泊松比先减小后增大；有2个深度点样品的泊松比没有变化；其余4个深度点样品的泊松比随围压增大而减小。由图5可看出，相同的轴向应力作用下，随着围压的增加，轴向应变与径向应变均会减小，但减小的比例不一致。泊松比表现出的这种不规则变化特征是孔隙和微裂纹瓦解造成的[14]。

表1　吉木萨尔凹陷芦草沟组上甜点体储集层样品岩石力学实验结果

图2　纵波和横波速度关系

图5　不同围压下的应力—应变曲线

3.5各向异性特点

岩石的层理、片理等特征导致岩石的力学参数在垂直层理方向和平行层理方向具有差异[15-16]。多数情况下，石油工程所涉及的沉积岩石在垂直层理方向和平行层理方向差异明显，而在平行于层理的各个方向的差异较小，故大多把岩石简化为正交各向异性、横观各向同性材料[17-19]。由于地应力方向不确定、岩心归位难度大、理论假设多等因素的影响，本次实验未考虑沉积平面内岩石力学参数的各向异性。

通过测试水平样品和垂直样品，分别获取岩石水平方向和垂直方向的力学参数，从而进行各向异性分析。在11.032 0 MPa围压下，对比分析水平样品与垂直样品的动、静态杨氏模量（Ed，Es），动、静态泊松比（υd，υs），三轴抗压强度（MCS），得到力学参数的各向异性程度γ（水平样品测试值与垂直样品测试值之比）（表2）。

表2　岩石力学参数的各向异性程度

由表2可知，水平方向与垂直方向岩石力学参数差异明显。水平样品与垂直样品的动态杨氏模量之比为1.02～1.33，平均1.15；静态杨氏模量之比为1.08～ 1.51，平均1.28；动态泊松比之比为1.00～1.24，平均1.07；除了2个深度点样品外，其他水平样品的静态泊松比均大于垂直样品。

岩石中层理发育，岩石在垂直于层理方向比平行于层理方向更容易压缩，层理的存在是导致岩石弹性参数各向异性的重要原因。受层理的影响，轴向应力作用下垂直样品中层理的孔隙、微裂隙最先压缩，然后才是岩石骨架的压缩，因此，产生较大的轴向应变，较小的径向应变；水平样品受层理的影响小，相同轴向应力作用下轴向应变小，径向应变大，因此，水平样品的泊松比和杨氏模量均大于垂直样品。

水平样品与垂直样品三轴抗压强度的差异不明显，这是由于围压对岩石内部微裂纹扩展的抑制作用所致。根据莫尔-库伦准则，相同围压作用下，岩石的三轴抗压强度仅取决于内摩擦角与内聚力[6，13]，而内摩擦角与内聚力与样品的方向无关。三轴抗压强度不存在明显的各向异性，如果测试数据足够多，各向异性程度平均值将趋近于1.

3.6岩石破裂特征

围压对样品的破坏形态具有显著影响。围压0.689 5 MPa时，当轴向应力达到峰值强度后，伴随着能量的突然释放，产生多个宏观裂缝迅速贯穿样品，样品失去继续承载能力，形成多个破裂面，破坏形态为破碎（图6a）；围压11.032 0 MPa时以共轭剪切破坏为主，样品破坏后有2个以上的剪切破裂面，且大致形成2组相互平行的剪切面贯穿样品，将样品分为较多的块体（图6b）；围压22.064 0 MPa时以单剪切面破坏为主，破坏的样品均有一宏观主剪切面，且该剪切面基本都贯穿整个样品（图6c）。

图6　不同围压作用下样品的破坏形态

总而言之，围压越高，样品破坏以剪切破坏为主，产生的微裂纹数量越少；围压越低，样品破坏效果越明显，以共轭剪切破坏或破碎为主，产生更多的裂纹，脆性特征也更明显。

4　结论

（1）吉木萨尔凹陷芦草沟组上甜点体内部纵向上不同岩性的岩石力学参数差异不明显，没有明确的大小关系。

（2）纵波和横波速度相关性较大；动、静态杨氏模量相关关系显著；动、静态泊松比相关性较小。

（3）三轴抗压强度随围压增大近似呈线性增大；杨氏模量随围压增大而增大；泊松比随围压增大出现不规则变化。

（4）受层理的影响，水平方向与垂直方向岩石力学参数差异明显，水平方向的杨氏模量和泊松比大于垂直方向；由于围压对岩石内部微裂纹扩展的抑制作用，三轴抗压强度不存在明显的各向异性。

（5）围压对样品的破坏形态具有显著影响，低围压时以破碎为主；中等围压时以共轭剪切破坏为主；高围压时以单剪切面破坏为主。

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（编辑潘晓慧顾新元）

Rock Mechanics Characteristics of Lucaogou Tight Oil Reservoir in Jimusaer Sag,Junggar Basin

GAO Yang1,WANG Yingwei1,WANG Yuduo2,XIE Tianshou1,LIU Gang3,WANG Li1
(1.Research Instittute of Exploration and Development,XinjiangOilfield Company,PetroChina,Karamay,Xinjiang 834000,China; 2.Karamay Geological EngineeringCompany LTD,Karamay,Xinjiang 834000,China; 3.BeijingSunshine Geo⁃Tech Co.,LTD,Beijing 100192,China)

Abstract:Tight oil reservoir in Jimusaer sag of Junggar basin is characterized by huge reserves,poor porosity and permeability,low single⁃well production,long production cycle,and high development cost.Systematic study of its petrophysical mechanics and ground stress char⁃acteristics have become the key of the tight oil reservoir exploration and development.For this reason,this paper developed the logging evaluation model of the petrophysical mechanics parameters,optimized the measures of engineering technology,selected whole diameter cores of Ji⁃A and Ji⁃B wells,and conducted acoustic wave and triaxial compression experiments under three confining pressures of 0.689 5 MPa,11.032 0 MPa and 22.064 0 MPa.The results show that there exists obvious correlation between longitudinal⁃shear wave velocity and dynamic⁃static Young’s modulus;the triaxial compression strength is linearly increasing with the confining pressure increase,and the con⁃finningpressure has asignificant effect on compressive failure of specimen.

Keywords:Junggar basin;Jimusaer sag;tight oil reservoir;rock mechanics;experimental study;anisotropy

作者简介：高阳（1981-），男，辽宁丹东人，工程师，石油地质，（Tel）0990-6879130（E-mail）gao-yang@petrochina.com.cn

基金项目:国家973项目（2015CB250906）

收稿日期：2015-07-29

修订日期：2015-12-21

文章编号：1001-3873（2016）02-0158-05

DOI：10.7657/XJPG20160206

中图分类号：TE112.221

文献标识码：A